第三章--混凝土的基本特性说课材料

第三章混凝土的基本特性
混凝土是水泥、砂、石和水的混合材料，其组成材料的成分和性质，以及在制备、凝固、使用过程中的各种条件和环境因素都对其强度和变形有不同程度的影响，因而混凝土比其它结构材料具有更复杂、多变的力学性能。

§3.1非匀质、非等向的多相混合材料
由图3—1可看出混凝土内部的非匀质构造非匀质构造。

其主要组成部分有：
固体颗粒—具有不同形状、颜色、尺寸和矿物成分的粗骨料、较大的砂粒、未水化的水泥颗粒团和混入的各种固体杂质。

它们随机地分布在混凝土内部，占据了总体积的绝大部分。

硬化的水泥砂浆—水泥和水产生的水化作用，将搅拌均匀的砂子胶结在一起成为水泥砂浆，填充在固体颗粒之间，或称围裹在固体颗粒外层，形成不均匀、不规则的条带状或网状分布构造。

刚开始时，水泥砂浆是流动性强的胶状体。

随着混凝土龄期的增长，水泥颗粒的水化作用层往内部深入，外层逐渐固化，砂子的粘结力不断加强，形成硬化的水泥砂浆。

各种气孔和缝隙—在混凝土的搅拌和浇注过程中，少量空气混入其内部；在震捣时，大部分空气成气泡状上升，从构件的上表面逸出，其余的积聚在构件顶面和侧面的表层砂浆层内。

较大的石子和钢筋下面有明显的气孔。

混凝土中的水分蒸发以及水泥砂浆干缩变形等都会在粗骨料和砂浆的界面、砂浆的内部形成不同形状和尺寸的细微裂缝。

此外，浇注、震捣操作不当等施工缺陷可能在混凝土内留下较大孔洞。

这三部分中，前两者为基本组成。

它们的物理相力学性质相差悬殊，在外力作用和环境条件影响下的反应有显著差别，成为混凝土强度和变形性能复杂、多变的主要原因。

图3－1 混凝土组成材料的非匀质、非等向分布
除了混凝土组成部分的随机分布所引起的非匀质性外，还因为一些因素构成混凝土的必然非匀质性，例如：
·在浇注、震捣混凝土的过程中，比重和颗粒较大的粗骨料沉入底部，而比重较小的骨料、流动性大的水泥砂浆和气泡等向上升。

·构件浇注方向的顶面和模板侧面附近，水泥砂浆和气泡的含量高于构件内部，构件表层的水分蒸发较快，收缩变形较大，遗留裂缝较多。

混凝土材料的非匀质和非等向性的程度，取决于原材料的均匀性、水泥骨料比和水灰比，以及搅拌、浇注、震捣和养护等施工操作工艺。

此外，在混凝土的浇注、震捣过程中，有一些现象将产生非等向性，例如：粗骨料若有一较大干面，震捣后的最稳定位置是大面朝下；气泡上升过程中略呈长圆形，混凝土凝固后气孔长径平行于浇注方向；构件分层浇注和振捣混凝土时，留有水平施工缝；在先期应力作用下，混凝土内部形成的微裂缝具有一定的方向性等等。

§3.2复杂的微观内应力(变形)状态
如果将一块混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂浆这两种性质迥异的主要材料构成的非线性、三维实体结构物。

在承受荷载之前和之后，都存在十分复杂的微观应力(应变)场。

这正是混凝土材性变化大和性能指标离散的主要原因。

在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用产生凝胶体，使水泥砂浆逐渐变稠、硬化，和粗骨料粘结成一整体。

在此同时，混凝土因水分逐渐逸出而变干燥，水泥砂浆发生的收缩量远大于粗骨料的收缩量。

此收缩差使粗骨料受压，而砂浆受拉，虽然任一截面上的应力合力为零，但局部的收缩应力值可能很大，以致在粗骨料界面形成微裂缝。

同样由于粗骨料和硬化水泥浆间的线膨胀系数的差别，即使两者的温度变化相同，也因为变形的不一致，又相互约束而产生不均匀的三维应力场。

混凝土是热惰性材料，因为水化热、环境温度变化或事故(火)升温等会使其表层和内部形成较大的温度差，内部的微观温度应力(应变)场更为复杂。

当结构承受外力的作用时，即使局部混凝土的宏观应力均匀，也会因为粗骨料的随机排列和水泥砂浆的不规则形状、两者的弹性(或变形)模量和抗拉、压强度的差别，以及粗骨料周界的支承或接触状况的不同等原因而存在着不均匀的微观应力场，不仅主要截面，其它任何方向截面上的应力分布都不均匀。

所有这些都表明，从微观上分析混凝土必然是一个非常复杂的、不确定的三维应力(变形)状态，对于混凝土的开裂、裂缝发展、变形、极限强度和破坏形态等都有很大影响。

§3.3 变形的多元组成
混凝土承受应力的作用或者环境条件的变化都将发生相应的变形。

从混凝土的组成和构造特点分析，总变形实际上由三部分组成：粗细骨料的弹性变形—占混凝土体积中绝大部分的石子和砂子，其本身的强度和弹性模量均高出混凝土的很多，在达到混凝土的最大应力(极限强度)时变形一般仍在弹性范围以内，即变形与应力值成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余应变（图3—2）。

水泥凝胶体的粘性流动—水泥水化作用形成的凝胶体在数十年内还不是一种形状固定的材料。

在应力的作用下，除了即时发生的变形外，还将随时间的延续发生缓慢、但逐渐收敛的粘性流动，使混凝土的变形不断增长，构成塑性变形。

当应力卸除后，即时的变形恢复有限。

随后变形虽继续恢复，但最终仍存在较大的残余变形。

混凝土承受的应力越大，则塑性变形和残余变形增加越多。

微裂缝的形成和扩展—在拉应力作用下，沿应力的垂直方向形成微裂缝，并迅速扩展；在压应力作用下，沿大致平行于应力方向形成纵向裂缝，穿过骨料界面和水泥砂浆，减弱了相邻部分的联系；裂缝端部的局部集中应力造成水泥砂浆的损伤，形成薄弱区。

在峰值应力后，虽然混凝土的应力减小，但变形将继续增大。

全部卸载后，这部分变形基本上不能恢复。

对于由不同的材料和组成的混凝土，在不同的应力阶段，这三部分变形所占的比例有很大变化。

一般情况下，应力水平较低时，骨料的弹性变形占主要成分。

随着应力的加大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐增大；接近混凝土极限强度值时，裂缝变形才有明显作用，但其变形值大，在峰值强度后的下降段成为变形的主体。

在卸载过程中，骨料的弹性变形可全部恢复，而水泥凝胶体的粘性流动变形出现应变恢复滞后现象。

全部卸载后的混凝土残余变形，则由裂缝变形和粘性流动变形组成。

此外，混凝土刚开始承受应力时，骨料和水泥砂浆分担应力。

如果维持应力不变，由于粘性流动变形随时间延续而增大，混凝土的总变形将随之增加，在骨料和水泥砂浆间应力将会有相应的重分布。

§3.4 对力学性能的影响因素
应力状态和途径—混凝土单轴受拉强度和受压强度的比值约为1：10，相应的峰值应变比值约为1：20，两者的破坏机理和形态差别显著。

这与钢、木材等结构材料的拉、压强度和变形接近相等的状况形成鲜明的对比。

这种基本拉压状态下力学性能的巨大差别，使得混凝土在轴压力状态下的强度、变形和破坏特征等随主应力的拉、压和应力比值的不同，而在很大幅度内变化。

至于更复杂的受力状态，如不均匀受力、荷载重复/反复作用、边界受约束、不同应力路径等等，因为变形组成的差别、内部微裂缝的图3-2
混凝土变形的组成
(a)粗骨料 (b)水泥砂浆 (c)裂缝扩展
方向性、损伤的积累等，形成了混凝土不同的力学性能反应，给混凝土带来一些新的特点。

时间—水泥与水产生的水化作用，从水泥颗粒的表层往内部慢慢深入，混凝土逐渐成熟，这一过程将持续数十年。

在此期间，混凝土周围的环境条件既影响水泥水化作用的速度，又与混凝土材料发生多种物理的和化学的作用，对混凝土的力学性能产生影响。

随着混凝土龄期的增长，水泥凝胶体的粘结强度不断增强，流动性不断减弱，从而提高了混凝土的强度和弹性模量。

另一方面，混凝土在应力的长期作用下，由于水泥凝胶体发生持续的粘性流动和内部微裂缝的发展，其变形将随时间而增大(即所谓的徐变)，长期强度将有所降低。

环境条件—温度变化使混凝土内部形成不均匀温度场，因而影响水泥的水化速度，产生温度变形和内应力，甚至出现裂缝。

环境的湿度影响混凝土内水分的散发速度和数量、含水量分布、收缩变形和内应力状态，以及微裂缝的出现。

这些都将使混凝土的强度和变形发生相应的变化。

CO气体使混凝土表层碳化，碳化层随时间逐渐加环境介质中的
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厚，介质中的Cl离子对混凝土有腐蚀作用……这些不利因素都使混凝土的强度和耐久性有所降低。

前面介绍的混凝土材料的特点，决定了其力学性能的复杂、多变和离散，再加上混凝土原材料的性质和配合比的差别，更造成了从微观的定量理论分析来研究混凝土力学性能的困难。

从结构工程的观点，通常取尺度为≥70mm或3～4倍粗骨料粒径的混凝土材料作为单元，将其看作是连续等向均质材料，且性能在短时间(小时级)内稳定，以其平均的强度、变形值以及宏观的破坏形态作为研究的标准，并且用同样尺度的试件进行力学性能测定。

经过总结、分析后建立的强度准则和本构关系，在应用于实际工程时具有足够的准确度。

了解混凝土的这些材性特点，有助于分析混凝土在各种应力状态下的强度、变形、破坏的规律性和机理，深化对混凝土材料和结构的本质认识。